2.1. Les détecteurs thermiques
3. Bruit, NEP (Noise Equivalent Power)
3.5 Bruit de partition
3.1 Bruit de diffusion, bruit thermique, ou Johnson
Le bruit thermique résulte des fluctuations de la vitesse des porteurs, sa grandeur est donnée par le théorème de Nyquist : « les densités du bruit de diffusion dans une résistance portée à la température T, sont de la forme » :
TR K Sj =4
b
3.2 Bruit de génération – Recombinaison
Le bruit de génération – recombinaison est relative aux fluctuations des transitions de génération et de recombinaison dans un semi-conducteur. Il se traduit par une fluctuation du nombre des porteurs de charge.
3.3 Bruit de grenaille (shot noise)
Le bruit de grenaille résulte des fluctuations du nombre de porteurs associées à un phénomène d’injection, sa grandeur est de la forme,
eI Sg =2
3.4 Bruit en 1/f
Les sources de bruit en 1/f sont moins identifiées que les précédentes sources de bruit. Ce bruit, important aux basses fréquences, est dû aux fluctuations de courant associées à certains mécanismes de modulation qui entraînent des fluctuations de nombre de porteur et/ou de leur mobilité. Sa valeur est de la forme :
α
f I K f S 2 / 1 =Où α est voisin de 1, et K, un paramètre ajustable.
3.5 Bruit de partition
Le bruit de partition (Sp) est un bruit lié spécifiquement à la présence de porteur chaud et se manifeste sous fort champ électrique. On peut retrouver ce bruit dans les semi-conducteurs, où les transferts intervallés sont importants, et leur fluctuation aléatoire engendre du bruit de partition
Nous avons les différents bruits qu’on puisse trouver dans un détecteur à base de matériau semi-conducteur. Le but de cette analyse est de diminuer le bruit et augmenter par cela la réponse du détecteur.
Annexe B: Etat de l’art dans le domaine Terahertz
121
Nous constatons que le minimum de bruit sera atteint avec un détecteur fonctionnant avec les
critères suivant :
fonctionnement sans courant, Sg=0 fonctionnement à faible champ, Sp=0
constante de temps faible, fréquence de modulation grande, S1/f=0 Un seul porteur, SG-R=0
Le signal électrique du bruit, en absence même du signal optique est noté N, la valeur minimal, selon les considérations vu au dessus, sera la composante du bruit thermique. Nous avons montré que nous pouvons les minimiser. Les bolomètres fonctionnant à 4.2°K possèdent seulement le bruit thermique, faible à cette température, ils possèdent pour cela, une bonne sensibilité. La comparaison des différents détecteurs se fait, en général, en comparant la valeur de noise equivalent power (NEP), qui est :
) / ( , W Hertz R N NEP
W
=Cette valeur permet de réaliser un classement des performances des détecteurs (Chapitre IV).
4. Conclusion
En conclusion de ce chapitre dédié à un aperçu de l’état de l’art dans le domaine Terahertz, il existe un vrai engouement de recherche de solution pour un développement technique et fondamental. Nous avons vu, les grandes avancées dans le domaine, avec l’invention du laser à cascade quantique, p-Ge laser. Et il reste un effort pour obtenir des sources accordable et fonctionnant à température ambiante. Et aussi, il reste beaucoup à faire pour trouver un détecteur Terahertz, fonctionnant à température ambiante, large bande, sélective à la fois, rapide, et sensible. L’étude sur le bruit, nous a montré la possibilité de réduire le bruit au minimal, seul le bruit dit de Johnson (bruit thermique) subsiste.
Chapitre IX: Publication
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A. EL FATIMY (CV)
Birthday: August 21, 1979 Groupe d’étude des Semiconducteurs
Nationality: France Montpellier University, Place E. Bataillon Cellular +33 6 29 41 17 10 34090 Montpellier, France
Home +33-4 67 75 13 81 mailto: elfatimy@ges.univ-montp2.fr
Work + 33 4 67 14 32 17 http://www.terapole.univ-montp2.fr/
Profile
A. El Fatimy is currently working as Phd Student with the Research Institute “Groupe d’étude des Semiconducteurs” (G.E.S), Montpellier University, France. From October. 2004 until June. 2007, he was a MNRT (allowance of research) research. He received his M.S. and he will receive his PhD degrees in Semiconductor Physics from Montpellier 2 University, France, in 2004 and 2007 respectively.
A. El Fatimy has been conducting research on Terahertz radiation phenomenon and its application for the terahertz source and detector. He developed with STMicroelectronics a new method for characterization of the new generation of sub-micron silicon transistors. He was also involved in the development of new electronic devices, which can emit (GaN/AlGaN HEMT Transistor) and/or detect terahertz radiation at room temperature. In addition, he was involved in the development of Terahertz Spectroscopy. He has been supervising about 1 M.S. students at Montpellier 2 University. He is author and co-author of more than 10 scientific publications.
Professional Experience
• Invited researcher at Semiconductor Physics Institute, Vilnius Lithuania (15 May. ~ 30 June. 2005).
• Lecturer at Montpellier 2 University, Montpellier, France (2006-2007) Education
PhD, Semiconductor Physics June 2007 Montpellier 2 University Montpellier, France
Groupe d'Etude des Semiconducteurs, Montpellier 2 Univ., Montpellier, France
Dissertation Title: "Terahertz Emission and detection by nanotransistor (plasma waves) Dissertation Chair: Dr. W. Knap
Major Professors: Dr. F. Teppe; Dr N. Dyakonova; Dr. D. Coquillat; Dr S. Vainshtein; Dr. S. Rumyantsev; Prof. A.Patante;
Training
• Research and Development
• Electro optic sampling, transport at low temperature and high magnetic field, (low level noise), vacuum technique, Laser, Cyclotron resonance spectrometer, Fast Fourier Transform Spectrometer (FTIR), mobility and electron density measurement, measure in the clean room.
• Languages: • Arabic (Native) • French (Native) • English (Speaker) • Computer
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• LabView, HpVee, Matlab, Microcal Origin, Microsoft (Word, PowerPoint, Excel), LATEX,
Honours
• Magneto resistance characterization of nanometre size transistors, STMicroelectronics, France, 2003 to 2005. Research grant to develop a new method for characterization of new generations of nanometre size transistors.
• First demonstration of room Terahertz emission from transistor, 2006
• The paper “Ballistic and pocket limitations of room temperature mobility in nanometer Si MOSFETs.” Appl. Phys. Lett. 87, 053507 (2005) has been selected for the August 8, 2005 issue of Virtual Journal of Nanoscale Science & Technology. The Virtual Journal, which is published by the American Institute of Physics and the American Physical Society in cooperation with numerous other societies and publishers, is an edited compilation of links to articles from participating publishers, covering a focused area of frontier research.
Journal Papers
1. Terahertz emission caused by affect of collapsing field domains on switching in a gallium arsenide bipolar transistor S. Vainshtein, Y. Kostamovaara, V. Yuferev, W. Knap, A. El Fatimy, and N. Diakonova, in preparation, to Appl. Phys. Lett (2007)
2. Gate Voltage modulated magnetoresistance measurements for characterization of nanometer size field effect transistor, R. Tauk, A. Tiberj, A. El Fatimy, J. Łusakowski, and W. Knap, Z. Bougrioua, M. Azize, and P. Lorenzini, F. Boeuf and T. Skotnicki, Submit to Appl. Phys. Lett (2007)
3. Plasma wave resonant detection of terahertz radiations by nanometric transistors , W. Knap, A. El Fatimy, J. Torres, F. Teppe, M. Orlov, and V. Gavrilenko, Low Temp. Phys. 33, 291 (2007)
4. Room temperature tunable detection of subterahertz radiation by plasma waves in nanometer InGaAs transistors, F. Teppe, M. Orlov, A. El Fatimy, A. Tiberj, W. Knap, J. Torres, V. Gavrilenko, A. Shchepetov, Y. Roelens, and S. Bollaert, Appl. Phys. Lett. 89, 222109 (2006)
5. Terahertz detection by GaN/AlGaN transistors. A. El Fatimy et al. Electron. Lett. 42, 1342 (2006)
6. Resonant and voltage-tunable terahertz detection in InGaAs/InP nanometer transistors A. El Fatimy et al. Appl. Phys. Lett. 89, 131926 (2006)
7. Room-temperature terahertz emission from nanometer field-effect transistors N. Dyakonova, A. El Fatimy et al. Appl. Phys. Lett. 88, 141906 (2006)
138
8. New trends in terahertz electronics, V. Tamosiunas, D. Seliuta, A. Juozapavicius, sirmulis, G. Valusis, A. El
Fatimy, Y. Meziani, N. Dyakonova, J. Lusakowski, W. Knap, A. Lisauskas, H.G. Roskos, and K. Köhler,
Lithuanian Journal of Physics, Vol. 46, No. 2, pp. 131.145 (2006)
9. Electron mobility in quasi-ballistic Si MOSFETs, J. Lusakowski, W. Knap, Y. Meziani, J.-P. Cesso, A. El Fatimy, R. Tauk, N. Dyakonova, G. Ghibaudo, F. Boeuf, and T. Skotnicki. Solid-State Electronics, Volume 50, Pages 632-636, (2006).
10. Ballistic and pocket limitations of mobility in nanometer Si metal-oxide semiconductor field-effect transistors J. usakowski, W. Knap, Y. Meziani, J.-P. Cesso, A. El Fatimy, R. Tauk, N. Dyakonova, G. Ghibaudo, F. Boeuf, and T. Skotnicki, Appl. Phys. Lett. 87, 053507 (2005)
11. Terahertz Detection Related to Plasma Excitations in Nanometer Gate Length Field Effect Transistor, W. Knap, A. El Fatimy, R. Tauk, S. Boubanga Tombet, and F. Teppe, Materials Research Society, (2006)
12. Plasma wave resonant detection of terahertz radiations by nanometric transistors, W. Knap, A. El Fatimy, J. Torres, F. Teppe, M. Orlov, V. Gavrilenko, Fizika Nizkikh Temperatur, (2006)
13. Terahertz Emission and Detection by Plasma Waves in Nanometer Size Field Effect Transistors, Wojciech KNAP, Jerzy USAKOWSKI, Frederic TEPPE, Nina DYAKONOVA and Abdelouahad El FATIMY,
IEICE Trans Electron (2006)
14. Detection and emission of terahertz radiation by nanometer-size field effect transistors, D. B. Veksler, A. El Fatimy, N. Dyakonova, F. Teppe, W. Knap, N. Pala, S. Rumyantsev, M.S. Shur, D. Seliuta, G. Valusis, S. Bollaert, A. Shchepetov,Y. Roelens, C. Gaquiere, D.Theron, and A. Cappy, Proceedings of 14th Int. Symposium, Nanostructures: Physics and Technology" St Petersburg , Russia , June 26-30, pp 331-333 (2006).
15. THz emission and detection using nitride based nanotransistors (invited paper) W. Knap N. Dyakonova, A. El Fatimy, M. Orlov,Lusakowski, F. Teppe, A. Tiberj, R. Tauk, D. Seliuta, G. Valusis, Poisson, E. Morvan, A. Shchepetoc, Y. Roelens, S. Bollaert, Gaquiere, D. Theron and A. Cappy; European Workshop on III-Nitride Semiconductor Materials and Devices, September 18 (2006)
16. Resonant terahertz detection in InGaAs/AlInAs and AlGaN/GaN - based nanometric transistors, 17th International Symposium on Space THz Technology – ISSTT 2006 – May 10-12,Institut Océanographique, 195 rue Saint-Jacques, 75005 Paris, A. El Fatimy et al, IEICE Trans Electron (2006)
17. Resonant detection of THz radiation by nanotransistors., A. E Fatimy, F.Teppe, G. Valusis, D. Seliuta, S. Bollaert, A. Shchepetov, Journées Nano-sciences et Nanotechnologies en Rhône-Alpes (JNRA'05)
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74
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d
Groupe d’étude des semi-conducteurs, UMR 5650 CNRS Université Montpellier II, 34095 Montpellier, France
RESUME :
Les détecteurs et émetteurs travaillant dans la gamme dite Terahertz sont très coûteux et fonctionnent généralement à basse température. Les Professeurs Dyakonov et Shur ont proposé en 1993 une théorie sur l’instabilité des ondes de plasma dans un gaz d’électrons bidimensionnel. Cette théorie énonce qu’un transistor peut fonctionner comme détecteur ou source Terahertz quand la longueur de grille est de taille nanométrique. Dans ce manuscrit, nous présentons une source de radiation Terahertz par un Transistor HEMT à base de l’hétérostructures GaN/AlGaN, (cohérente), accordable à température ambiante, relativement intense (0.1 µW), de taille nanométrique et peu coûteuse. En second lieu, nous proposons des détecteurs Terahertz basés sur la technologie GaN/AlGaN et InGaAs/InAlAs et accordables à température ambiante. Notre étude, d’intérêt pluridisciplinaire, vise à explorer les limites physiques et technologiques des performances des transistors HEMT sur l’Emission et la Détection de radiation Terahertz. L’estimation du NEP (Noise Equivalent Power) a également été réalisée. D’un point de vue fondamental, cette étude nous permettra de mieux connaître les propriétés de la détection et de l’émission par un gaz d’électrons bidimensionnel par le biais des ondes de plasma.
MOTS-CLES : détecteur terahertz, Transistor, HEMT, Détection, Résonant, NEP, Accordable, FTIR, CR Spectrometer, Instabilité des ondes de plasma.
ABSTRACT:
We report on detection of terahertz radiation by high electron mobility nanometer transistors. The photovoltaic type of response was observed at the 1.8–3.1 THz frequency range, which is far above the cut-off frequency of the transistors. The resonant response was observed and was found to be tunable by the gate voltage. The resonances were interpreted as plasma wave excitations in the gated two-dimensional electron gas. The minimum noise equivalent power was estimated, showing possible application of these transistors in sensing of terahertz radiation. Also, we report on the demonstration of room temperature, tuneable terahertz detection obtained by 50 nm gate length InGaAs/InAlAs High Electron Mobility Transistors (HEMT). We show that the physical mechanism of the detection is related to the plasma waves excited in the transistor channel and that the increasing of the drain current leads to the transformation of the broadband detection to the resonant and tuneable one.
In addition we report on terahertz emission by two-dimensional electron plasma oscillations in nanometric transistors at room temperature. We observe the room temperature emission for transistors based on two types of heterostructures- InGaAs/InAlAs and AlGaN/GaN. For both types we obtain a well-defined source-drain voltage threshold for the integrated emission, which depends on the gate bias. For InGaAs/InAlAs, we observe only emission signal integrated over the total frequency range (0.1 – 10 THz). High intensity of the Thz emission from GaN/AlGaN structures allowed analysing its spectral content. The emission is interpreted as resulting from a current driven plasma instability leading to oscillations in the transistor channel (Dyakonov–Shur instability)75
Key-Words :THz detector, Transistor, HEMT, Resonant tunnelling devices, detection, NEP, FTIR, CR Spectrometer, Plasma Waves, Terahertz Communication